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Turbulencias cerca del cero absoluto

Karina Maldonado Portillo
18/jun/2013

El Condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que ocurre a temperaturas cercanas al cero absoluto. Hasta hace apenas unos años se logró crear un condensado en un laboratorio, lo cual le valió a sus creadores Eric A. Cornell y Carl E. Weiman de la Universidad de Colorado y a Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of Technology el Premio Nobel de Física en 2001.

Este significativo hallazgo fue el inicio de muchos proyectos para comprender el “nuevo estado” como el de Roberto Zamora Zamora, estudiante de doctorado, quien pretende establecer las relaciones entre vórtices, campos magnéticos y la generación de turbulencia en estos sistemas ultrafríos.

En su charla "Vórtices en condensados de Bose-Einstein multicomponentes: posibles vías hacia estados turbulentos", fruto del Seminario de Estudiantes del 22 de abril, Zamora explicó que un condensado usual es, a grandes rasgos, un gas de átomos con espín (o momento angular intrínseco) entero y a bajas temperaturas, en el cual los efectos cuánticos dominan la dinámica del sistema. El propósito de su investigación es resolver numéricamente la dinámica de un condensado con espín y analizar cómo van apareciendo estados cuánticos turbulentos.

¿Para qué? Lo que se cree es que en este tipo de sistemas la turbulencia puede aparecer como una forma simplificada de lo que se conoce en sistemas clásicos. Al estudiar una turbulencia en el mundo cuántico, se podría tener acceso a nueva información de la turbulencia sin el ruido térmico –que es una perturbación eléctrica producida por la energía interna del sistema- presente en los sistemas clásicos.

Para que existan estados turbulentos, una de las primeras señales es la presencia de vórtices, es decir, un flujo que ocurre dentro del condensado. Trabajos anteriores afinaron la manera de generar vórtices en condensados con espín mediante el acoplamiento del sistema con campos magnéticos externos.

Ahora le toca a Roberto Zamora estudiar el siguiente paso: cómo en un condensado de Bose-Einstein se forman los estados turbulentos. Los vórtices que aparecen en los condensados no toman cualquier valor de circulación sino que obtienen valores que son de una velocidad determinada, a esto se le denomina vórtices cuantizados. Esta noción de vórtice cambia completamente del concepto clásico, puesto que en éste último se considera que los vórtices de un fluido tienen una circulación con cualquier valor.

Entre sus resultados, Roberto Zamora ha encontrado que los espín de todas las partículas del sistema se acoplan a un campo magnético externo, lo que supone que las propiedades del sistema estudiado cambian considerablemente.

Además, Zamora describe una relación entre los campos magnéticos y la aparición vórtices: “si se tienen los puntos magnéticos de acoplamiento cero, estos generarán vórtices en el condensado”. De hecho, si se cambia el campo magnético, se obtendrá un vórtice con diferentes características y reglas precisas de cómo se cuantiza la circulación y en qué posiciones aparecen.

Debido a que se trata de un modelo téorico, uno de los aspectos más complejos de esta investigación, que coordina Víctor Romero Rochín, fue resolver las ecuaciones, ya que para ello fue necesario un software y un hardware altamente especializado (supercomputadoras).

De hecho, Roberto Zamora afirma que una de las mayores aportaciones y lecciones de este trabajo es que el cálculo de las soluciones se ha logrado a través de lenguajes emergentes de programación en paralelo, como CUDA (siglas en inglés de Arquitectura Unificada de Dispositivos de Cómputo) y pyCUDA (extensión del lenguaje python para usar CUDA), mediante las cuales es posible acceder a los cientos o miles de procesadores que componen la tarjetas gráficas (utilizadas comúnmente en las consolas de videojuegos).

La implementación numérica y gráfica de los códigos se consiguió con la colaboración de los físicos Bruno Villaseñor Álvarez y David Bernal Hoyo, recién egresados de la Facultad de Ciencias de la UNAM.

“Hasta ahora hemos encontrado el estado base del sistema y hemos perturbado dicho sistema”; es decir, se resuelve la dinámica de la nube condensada partiendo de un estado de equilibrio en el cual hay vórtices presentes.

Y han encontrado algo más: la densidad y el campo de velocidades del estado dinámico pueden ser estocásticos, es decir, azarosos o aleatorios, lo que significa que los vórtices al ser forzados –por el campo magnético- a desplazarse dentro del condensado generan posibles estados turbulentos.


Roberto Zamora en el Seminario de Estudiantes. Foto: Pedro Zaldívar Sánchez.